第6章 控制系統(tǒng)

第5章機(jī)器人的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包含對機(jī)器人本體工作過程進(jìn)行控制的控制機(jī)、機(jī)器人專用傳感器、運(yùn)動伺服驅(qū)動系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)中涉及傳感技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制理論和控制算法。

示教-再現(xiàn)機(jī)器人：控制機(jī)多為微型計(jì)算機(jī)，外部有控制柜。采用示教-再現(xiàn)的工作方式，機(jī)器人的作業(yè)路徑、運(yùn)動參數(shù)由操作者手把手示教或通過程序設(shè)定，機(jī)器人重復(fù)再現(xiàn)示教的內(nèi)容；機(jī)器人配有內(nèi)部傳感器：速度、位置傳感器；還可以配備簡易的外部傳感器：視覺、力傳感器。智能機(jī)器人：這類機(jī)器人的控制機(jī)多為計(jì)算機(jī)，同時配備了多種內(nèi)部、外部傳感器，不但能感知內(nèi)部關(guān)節(jié)運(yùn)行速度及力的大小，還能對外部的環(huán)境信息進(jìn)行感知、反饋和處理。5.1機(jī)器人傳感器5.1.1機(jī)器人傳感器的特點(diǎn)和要求一、機(jī)器人傳感器的種類（1）位置傳感器（2）速度傳感器（3）簡單觸覺：確定工件是否存在。（4）復(fù)合觸覺：確定工件是否存在以及尺寸和形狀等。（5）簡單力覺：測量單維力。（6）復(fù)合力覺：測量多維力。（7）接近覺：非接觸探測工作對象。（8）簡單視覺：檢測孔、邊、拐角等。（9）復(fù)合視覺：識別工作對象的形狀等。（10）特殊領(lǐng)域：溫度、濕度、壓力、滑動量、化學(xué)性質(zhì)等感覺能力方面的傳感器。二、傳感器的性能指標(biāo)(1)基本參數(shù)：量程、靈敏度、靜態(tài)精度、動態(tài)性能。(2)環(huán)境參數(shù)：溫度、振動沖擊及其他參數(shù)(潮濕、腐蝕及抗電磁干擾等)。(3)使用條件：電源、尺寸、安裝方式、電信號接口及校準(zhǔn)周期等。1．靈敏度靈敏度：輸出信號達(dá)到穩(wěn)定時，輸出信號變化與輸入信號變化的比值。輸出和輸入呈線性關(guān)系：輸出與輸入呈非線性關(guān)系：

2.線性度

3.精度傳感器輸出值與實(shí)際值之間的誤差(與使用條件和測量方法有關(guān))。4.重復(fù)性按同一方式進(jìn)行全量程連續(xù)多次測量時，測試結(jié)果的變化程度。5.分辨率在整個測量范圍內(nèi)所能辨別的被測量的最小變化量。6．響應(yīng)時間輸入信號變化后，其輸出信號變化一個穩(wěn)定值所需要的時間。動態(tài)特性指標(biāo)，7．抗干擾能力電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單；性能穩(wěn)定可靠；精度高；較方便地選擇其輸出信號范圍；斷電時不丟失信號。其缺點(diǎn)是滑動觸點(diǎn)容易磨損。5.1.2機(jī)器人內(nèi)部傳感器一、位置傳感器1.電位器式位移傳感器（模擬式傳感器）由電位器和滑動觸點(diǎn)組成；電壓輸出?？蓽y直線位移和轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)型電位器式位移傳感器直線型電位器式位移傳感器2.編碼式位移傳感器（數(shù)字式）

輸出信號為數(shù)字脈沖，可測直線位移和轉(zhuǎn)角。編碼式位移傳感器測量范圍大，檢測精度高，在機(jī)器人的位置檢測及其他工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。1)絕對式光電編碼器光電編碼器的性能主要取決于光電敏感元件的質(zhì)量及光源的性能:光源具有較好的可靠性及環(huán)境的適應(yīng)性;光源的光譜與光電敏感元件(受光體)相匹配在光通路中還應(yīng)加上透鏡和狹縫裝置。透鏡使光源發(fā)出的光聚焦成平行光束;狹縫寬度要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)均處于狹縫內(nèi)。2)增量式光電編碼器增量式光電編碼器沒有接觸磨損，允許高轉(zhuǎn)速，精度及可靠性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難。增量式光電編碼器可測量出轉(zhuǎn)軸的相對位置，但不能確定機(jī)器人轉(zhuǎn)軸的絕對位置，所以這種光電編碼器一般用于定位精度要求不高的機(jī)器人，如噴涂、搬運(yùn)及碼跺機(jī)器人等。目前已出現(xiàn)包含絕對式和增量式兩種類型的混合式編碼器使用絕對式確定機(jī)器人的絕對位置，確定由初始位置開始的變動角的精確位置則使用增量式。二、速度傳感器角速度傳感器：測速發(fā)電機(jī)；增量式光電編碼器。1.測速發(fā)電機(jī)（模擬傳感器）直流測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理1—永久磁鐵；2—轉(zhuǎn)子線圈；3—電刷；4—整流子測速發(fā)電機(jī)線性度好，靈敏度高，輸出信號強(qiáng)，一般檢測范圍為20～40r/min，精度為0.2%～0.5?%。5.1.3機(jī)器人外部傳感器一、力或力矩（力覺）傳感器應(yīng)變片式機(jī)器人腕力和力矩傳感器二、接近覺傳感器1.電渦流式傳感器2.光纖式傳感器2.光纖式傳感器3.超聲波傳感器三、觸覺傳感器觸覺傳感器的作用：(1)感知操作手指的作用力，使手指動作適當(dāng)。(2)識別操作物的大小、形狀、質(zhì)量及硬度等。(3)躲避危險(xiǎn)，以防碰撞障礙物引起事故。觸覺傳感器包括壓覺、滑覺、接觸覺及力覺等。最早的觸覺傳感器為開關(guān)式傳感器，只有0和1兩個信號，用于表示接觸與不接觸。如果要檢測對象物的形狀，就需要在接觸面上安裝許多敏感元件。3種敏感元件：

導(dǎo)電合成橡膠：壓變時接觸面積和反向接觸電阻隨外部壓力的變化很大。體積小，一般1cm3面積內(nèi)可有256個觸覺敏感元件，敏感范圍達(dá)1～100g。

人工皮膚：它實(shí)際上就是一種超高密度排列的陣列傳感器，主要用于表面形狀和表面特性的檢測。壓電材料：壓力與晶體的電阻成比例關(guān)系。5.2驅(qū)動與運(yùn)動控制系統(tǒng)5.2.1概述早期：液壓、氣動伺服驅(qū)動。目前：大部分被電氣驅(qū)動方式所代替，只有在少數(shù)要求超大的輸出功率、防爆、低運(yùn)動精度的場合才考慮使用液壓和氣壓驅(qū)動。電氣驅(qū)動無環(huán)境污染，響應(yīng)快，精度高，成本低，控制方便。驅(qū)動電機(jī)：步進(jìn)電動機(jī)，直流伺服電動機(jī)，交流伺服電動機(jī)驅(qū)動伺服控制方式：開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)。步進(jìn)電動機(jī)：一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)，沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低，適用于位置精度要求不高的機(jī)器人中；交、直流伺服電動機(jī)：用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，具有很高的控制精度。伺服控制系統(tǒng)包括：伺服執(zhí)行元件(伺服電動機(jī))、伺服運(yùn)動控制器、功率放大器(又稱伺服驅(qū)動器)、位置檢測元件等。伺服運(yùn)動控制器的功能是實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)的運(yùn)動控制。MOTOMAN機(jī)器人把各個軸的伺服運(yùn)動控制器和功率放大器集成組裝在控制柜內(nèi)（專用計(jì)算機(jī)控制）。PC機(jī)+專用運(yùn)動控制芯片控制：PC機(jī)+專用運(yùn)動控制卡控制：這兩種形式的伺服運(yùn)動控制器控制方便靈活，成本低，都以通用為平臺，運(yùn)動控制器都從主機(jī)(PC機(jī))接受控制命令，從位置傳感器接受位置信息，向伺服電動機(jī)功率驅(qū)動電路輸出運(yùn)動命令。使得原來由主機(jī)做的大部分計(jì)算工作由運(yùn)動控制器內(nèi)的芯片來完成，使控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單，與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信量減少，解決了通信中的瓶頸問題，提高了系統(tǒng)效率。5.2.4機(jī)器人的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)一、步進(jìn)電動機(jī)將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種D/A轉(zhuǎn)換裝置。接收一個電脈沖，步進(jìn)電動機(jī)就帶動機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動機(jī)優(yōu)點(diǎn)：（1）輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一周誤差回到零。(2)輸入和輸出呈嚴(yán)格線性關(guān)系：輸出角度不受電壓、電流及波形等因素的影響，僅取決于輸入脈沖數(shù)的多少。(3)容易控制位置、速度，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便：步進(jìn)電動機(jī)的位置(輸出角度)由輸入脈沖數(shù)確定，其轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定，正、反轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)由脈沖輸入的順序決定，而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計(jì)算機(jī)輸出控制。(4)輸出信號為數(shù)字信號，可以與計(jì)算機(jī)直接接口。(5)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖1—定子繞組；2—定子鐵心；3—轉(zhuǎn)子；4—A相磁通二、直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速易控制，效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，直流伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)上具有電刷和換向器，需要定期更換電刷和進(jìn)行維修，電動機(jī)使用壽命短，噪聲大。直流電動機(jī)的容量小，電樞電壓低，很多特性參數(shù)隨速度而變化，限制了直流電動機(jī)向高速、大容量方向發(fā)展。在一些具有可燃?xì)怏w的場合，由于電刷換向過程中可能引起打火，也不適合使用直流電動機(jī)，如井下作業(yè)等。、在一些中、小功率的場合，還常使用永磁式直流伺服電動機(jī)。直流伺服電動機(jī)的工作原理直流伺服電動機(jī)晶體管脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)：PWM是利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將恒定的直流電源電壓斬成一定頻率的方波電壓；通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速各半導(dǎo)體廠商紛紛推出直流電動機(jī)驅(qū)動專用集成電路，如美國SiliconGeneral公司生產(chǎn)的半橋單片集成電路SG1635以及意大利DGS公司生產(chǎn)的全橋驅(qū)動L292等。三、交流伺服電動機(jī)